Fotones, Una Radiación Electromagnética en su Interacción con la

Fotones, Una Radiación Electromagnética en su Interacción con la Materia
Haydy Peralta Solórzano1
Yira Tatiana Ramírez2
Resumen
En este artículo se presenta una propuesta metodológica para la enseñanza de los
fenómenos de interacción entre la radiación electromagnética y la materia, un tema muy
utilizado en el área de la medicina en los procesos diagnostico que permiten mejorar
procesos de detección y comprensión de enfermedades. Luego de una breve introducción
sobre estos fenómenos se plantea la herramienta didáctica diseñada bajo los lineamientos
del Aprendizaje Basado en Problemas (A.B.P). El propósito es presentar una alternativa
dinámica
y
entendible
para
el
uso
en
el
aula
de
clase.
Palabras Clave: Radiación Electromagnética, Materia, Herramienta Didáctica, A.B.P.
Abstract
In article, it is presented a methodological proposition for the teaching of the phenomenon of
the interaction between the electromagnetic radiation and the matter, it is a topic very useful
in the medical area for diagnose process which permit improve detection and understanding
process of sickness. After of a brief introduction about these topics, it is proposed a didactic
tool that is designed beginning from ideas of the Learning Based on Problems (A.B.P). The
objective is present a dynamic and comprehensible alternate for its use in the classroom.
Key Words: Electromagnetic radiation, Matter, Didactic Tool, A.B.P.
INTRODUCCIÓN
La radiación X se divide en dos tipos de según la manera en que son producidos, y se
denotan como rayos X característicos y rayos X por frenado. Por su capacidad de
penetración brindan varios usos en la medicina y en la industria ya que por ser una
ionización indirectamente ionizante preserva las propiedades del material en estudio,
permitiendo visualizar con caridad y detalle muchas de sus características; siendo esta una
gran herramienta en el análisis de la materia viva e inerte.
En los procesos de interacción de los rayos X con la materia se originan tres Efectos
fundamentales: Efecto Fotoeléctrico, Efecto Compton y Producción de Pares. Los fotones
que tienen energía más baja interactúan mediante el efecto fotoeléctrico, en el cual el fotón
cede toda su energía a un electrón que abandona el átomo o molécula mientras que el
fotón desaparece. Los fotones de energía intermedia interactúan fundamentalmente
mediante el efecto Compton, en este un fotón y un electrón colisionan como partículas, el
fotón continúa su trayectoria en una nueva dirección y con una energía menor a su energía
inicial, mientras que el electrón liberado parte con el resto de la energía del fotón. La
producción de pares predomina en fotones con energías altas, superiores a
, en
este efecto el fotón desaparece y en su lugar aparece una pareja electrón-positrón; este
fenómeno tiene lugar en las cercanías del núcleo.
INTERACCIÓN RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA – MATERIA
Se entiende por radiación X a las partículas no cargadas capaces de producir ionización, en
su interacción con la materia, mediante procesos secundarios. En esta interacción la
partícula pierde energía
que es comunicada al medio ó materia atravesada. Los más
importantes, en cuanto a la transferencia de energía son los tres primeros, por lo cual no nos
ocuparemos de los dos últimos. En ellos se imparte esa energía a la materia en muchas
interacciones a lo largo de su camino. La importancia relativa de estos depende de la
energía
del fotón incidente y del número atómico
del medio absorbente.
Efecto Fotoeléctrico3
En el efecto Fotoeléctrico tenemos un proceso de colisión inelástica entre dos partículas, un
fotón y un electrón, en el cual el fotón cede energía al electrón. El electrón esta ligado al
material. Si el electrón absorbe un fotón de energía
, para poder desprender del material
debe superar una cierta cantidad de energía que lo mantiene ligado a él, denominada
función de trabajo . Por simples argumentos de conservación de la energía, la máxima
energía cinética que puede tener un electrón al salir del material será:
Efecto Compton4
En el efecto Compton los fotones sobre el material blanco realizan colisiones elásticas entre
estos y los electrones. Como consecuencia el fotón cede parte de la energía y emerge con
una energía menor, sea, una longitud de onda mayor. La colisión tiene lugar entre un fotón y
un solo electrón libre y en reposo.
Creación de Pares5
Cuando un fotón energético se acerca al campo eléctrico intenso de un núcleo puede
suceder la producción de pares. En este caso el fotón se transforma en un par electrónpositrón. Como la suma de las masas del par es
, no puede suceder si la energía
del fotón es menor que esta cantidad. Si la energía del fotón original en mayor que
el excedente se lo reparten el electrón y el positrón como energía cinética, pudiendo ionizar
el material.
APRENDIZAJE BASADO EN PROBLEMAS6
El A.B.P es una estrategia de enseñanza-aprendizaje en la que tanto la adquisición de
conocimientos como el desarrollo de habilidades y actitudes resultan importantes, en el
A.B.P un grupo pequeño de estudiantes se reúne, con un tutor, a analizar y resolver un
problema diseñado especialmente para el logro de ciertos objetivos de aprendizaje. El ABP
se sustenta en diferentes corrientes teóricas sobre el aprendizaje humano, tiene particular
presencia la teoría constructivista, de acuerdo con esta postura en el ABP se siguen tres
principios básicos:
1. El entendimiento con respecto a una situación de la realidad surge de las
interacciones con el medio ambiente.
2. El conflicto cognitivo al enfrentar cada nueva situación estimula el aprendizaje.
3. El conocimiento se desarrolla mediante el reconocimiento y aceptación de los
procesos sociales y de la evaluación de las diferentes interpretaciones individuales
del mismo fenómeno.
Los pasos del proceso de aprendizaje en el A.B.P se resumen en la (Figura 2).
DESCRIPCIÓN DE LA HERRAMIENTA DIDÁCTICA
A continuación se presenta una guía enfocada a estudiantes de media vocacional, que se
desarrollara con la intervención del tutor, como el modelo a seguir lo requiere.
Esta guía durara tres secciones de clase y cubrirá los siguientes objetivos:
Figura 1. Método de Enseñanza A.B.P
1. Identificar el Efecto Compton, Fotoeléctrico y Creación de Pares como fenómenos
donde se manifiesta el carácter corpuscular de los fotones.
2. Conocer la diferencia entre los fenómenos que produce la radiación X en su
interacción con la materia.
3. Entender que la energía de la radiación electromagnética esta distribuida de forma
discontinua agrupa en paquetes llamados fotones.
Guías de Trabajo
Guía Efecto Fotoeléctrico
Sobre una placa metálica incide luz con longitud de onda
y salen
electrones con energía cinética de
1. ¿Qué tipo de choque se produce entre el fotón y el electrón?
2. ¿Qué tipo de fenómeno presenta este tipo choques?
3. ¿Qué le sucede al fotón?
4. ¿Qué pasa con el electrón?
Intervención del tutor: El objetivo es resolver dudas y aclara el fenómeno
1. El efecto fotoeléctrico se produce con luz roja ¿Se producirá efecto fotoeléctrico con
luz amarilla?
2. El efecto fotoeléctrico se produce con luz azul, si ahora la luz incidente es amarilla
¿se producirá efecto fotoeléctrico?
3. ¿De que depende el hecho que se produzca o no, efecto fotoeléctrico?
Intervención del tutor: Es importante que quede claro bajo que condiciones se produce
efecto fotoeléctrico y en especial la importante relación hay con el material del blanco
1. Si la frecuencia de la luz incidente, que dio lugar
produce
a que en un experimento se
efecto fotoeléctrico, se duplica ¿la energía cinética de los electrones
emitidos se duplica también?
Guía de Efecto Compton
Un fotón que tiene una energía de
realiza una colisión con un electrón en
reposo y es dispersado con un ángulo de 60º.
1
¿Qué tipo de choque se produce entre el fotón y el electrón?
2
¿Qué tipo de fenómeno presenta este tipo choques?
3
¿Qué le sucede al fotón?
4
¿Qué pasa con el electrón?
Intervención del tutor: El objetivo es resolver dudas y aclara el fenómeno.
1
¿Qué orden de energías tienen los fotones dan lugar al efecto Compton?
2
¿A que parte del espectro electromagnético pertenecen estos fotones?
3
¿Es posible observar el efecto Compton empleando luz visible?
Intervención del tutor: Es importante que quede claro bajo que condiciones es posible
observa el efecto Compton
1. ¿Depende el efecto Compton del material el blanco?
Guía Producción de Pares
Un fotón de
colisiona con el Núcleo de un átomo de Plomo cómo se
muestra en la (Figura 3).
Figura 2. Producción de Pares
1
¿Qué fenómeno ocurre en esta interacción?
2
¿Qué sucede con el fotón incidente?
3
¿Cuántas partículas se obtienen al final de la interacción?
Intervención del tutor: Con el fin de aclarar que el fenómeno que ocurre es la producción
de pares, junto con su descripción enfatizando en lo que incide y lo que se produce.
1
¿Cuál seria la diferencia de esta interacción si en vez de colisionar con el núcleo de
un átomo de lo hiciera con el núcleo de un átomo de Helio?
2
¿Se produciría el mismo fenómeno de interacción sí, el fotón incidente tiene una
energía de
Intervención del tutor: Con el fin de de aclarar las condiciones que se tienen para que
ocurra la producción de pares.
1
Conociendo que la energía del fotón incidente, para que se produzca un par electrónpositrón es de
Si incide un fotón de
¿Qué sucede con el exceso de
energía de la necesaria para la producción de pares?
Intervención del tutor: Aclarando que sí el fotón incidente posee más energía de la
necesaria para la producción del par, el exceso de energía se cede al par de electrones en
forma de energía cinética.
CONCLUSION
Para que los estudiantes entiendan la problemática que plantea los fenómenos de la
interacción de la radiación electromagnética con la materia consideramos que lo más
adecuado es abordarlos a partir de problemas prácticos en los cuales se evidencie cada una
de las magnitudes físicas que vinculan y poder así como tutores ahondar en su significado
físico para una mayor comprensión de los mismos y con esto finalmente entender los
fotones como una radiación no destructiva en la interacción con la materia.
REFERENCIAS
[1] http://www.monografias.com
[2] GARCIA M./EWERT D, (2003). Introducción a la Física Moderna. Colombia. Tercera
Edición. 61-76.
[3] http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/094/htm/sec_6.htm
[4] Congreso Tendencias en Didáctica de la Física. Universidad Javeriana.